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摘要:針對鋼鐵企業現有設備分散、環境惡劣、綜合布線復雜等開關數字量采集困難問題，同時為解決因電磁干擾等外界不可控因素導致無線數據傳輸中數據丟包實際問題，提出基于lora無線通信可靠握手協議的數字開關量數據傳輸。采用光電耦合及電路濾波技術提高開關量采集準確性;以SX1278無線電路作為數據傳輸載體提高點布設傳輸靈活性;采用可靠握手協議提高數據傳輸可靠性。實驗證明，該設計具有高可靠性與點布設靈活性特性。

關鍵詞:LORA無線通信;數字開關量;可靠協議傳輸

引言

近年來，隨著計算機無線通信技術發展，中國2025高端制造規劃和工業化4．0改革的推動，促進冶金行業自動化信息技術革新，因此工業現代化改造已成為現今研究熱點。而現代化工業現場控制環節中，涵蓋了大量工控信號，這類信號包括連續和離散的高低頻信號，作為工業設備的外部激勵控制信號，如僅靠人工手動連接實現控制已經不能滿足現代化工業需求，尤其是鋼鐵冶金行業現場環境復雜，更不利于人工手動控制和現場布線。如何有效、靈活及可靠采集與傳輸這類工控信號是保障現代化工業高效、安全生產的前提。在已有的相關領域研究中，趙鳳華等人設計開關量在液位測量中應用［1］;黃寶娟等人設計開關量驅動電路對電機正反控制［2］;李大偉等人提出帶有自診斷電路的開關量系統［3］。而這些研究與設計都未考慮工業現場各種復雜環境對開關信號傳輸的影響，基于此，該文提出基于LORA無線通信可靠握手協議的數字開關量數據傳輸。

1數字開關量總體架構設計

該文數字開關量系統是通過采集工業設備中各種干接點信號，如限位開關、行程開關、各類按鍵、繼電器輸出、火災煙霧報警器等，以實現對運行中設備的監控及操作。圖1為系統總體設計框架圖，分為開關量信號采集端和接收端兩大部分。在采集端通過帶有過壓保護器的光電耦合電路獲取工業設備中的開關量信號，信號經硬件去抖后由單片機讀取到RAM中，同時，為方便監控所采集的數字量，通過OLED顯示模塊進行數字化顯示，后經無線LORA發送至接收端;接收端通過無線LORA接收到采集端的數字開關量信號，通過繼電器開關控制設備，并由網口將數據封裝ModbusTCP協議傳輸到終控室進行實時監控。

2系統硬件及軟件設計

2．1硬件設計部分

開關量檢測電路是數字開關量系統硬件設計的關鍵部件，圖2為數字開關量檢測電路。F1為電壓輸入保險絲，反向保護電源模塊，DIO為干結點采集端，R1，R2分別為分壓電阻;設計中當輸入節點DIO為高電平時，輸入信號為1，當輸入節點DIO為低電平時，輸入信號為0;S1和S2為過壓保護電路，當回路中瞬時電壓超過設計輸入3．3V電壓時旁路到地線，達到保護電路作用;U1為光耦電路，考慮工業現場存在大量不確定電磁輻射串擾，設計時增加光電耦合，即將輸入電信號通過光敏二極管轉化成光信號，再由光敏三級管將光信號轉換成電信號輸入后級處理，實現節點輸入與信號檢測分離，從而抑制共模噪聲干擾，R3為光耦集電極上拉電阻以提高其負載能力，DS1為信號指示;R4，C1構成低通濾波器，濾除高頻脈沖干擾。為解決現場布線困難問題，提出采用無線LO-RA數據傳輸代替傳統工業現場布線的方式。圖3為無線LORA收發電路，采用SX1278無線電路模塊，該電路以LORATM作為遠程調制解調器，覆蓋遠距離擴頻通信，其無線通信理論值可達10km，較之傳統通信調制技術在抗阻塞和選擇性方面有明顯優勢，更兼有抗干擾強、低功耗等特性。SX1278電路需要由外部提供32M晶振作為基準時鐘，采用SPI總線，引腳16，17，18與MCU相連交換數據，DIO0～5為中斷輸出，用于數據完成與接收到數據中斷，可編程控制，RFO_LF為射頻輸出，PA_BOOST選擇大功率PA輸出，VR_PA為PA穩壓電源，RX-TX/RF_MOD為串口Rx/Tx控制開關。

2．2系統軟件設計

系統軟件設計開發平臺采用32位的STM32103RB作為主控芯片，主頻為72MHz，具有性能強、功耗低和實時性等特點。為了保證數據采集的實時性和安全性，使用開源的輕量級RTOS系統，該系統包括任務管理、資源管理、存儲管理和系統管理基本管理函數庫，嵌入式RTOS系統支持最多64個任務，其中56個為用戶任務，系統保留4個優先級別最高和最低的任務。系統從優先級隊列中高到低執行任務且每個任務都有獨立的優先級。圖4為系統軟件設計流程。設計時加載RTOS系統，進行系統初始化，設計數字開關量讀取和數據與命令字收發2個任務塊，設置數字開關量讀取為最高優先級，收發數據為次級優先級。對8路I/O口配置為輸入模式，采集數字開關量過程為周期50ms定時輪詢，當定時達到中斷時復位中斷標志位并獲取I/O狀態，判斷I/O狀態口是否發生改變，如是則進行數據發送。數據收發模塊為LORA無線傳輸，該設計方案是針對鋼鐵企業現有設備分散、環境惡劣、綜合布線復雜等開關數字量采集困難問題，同時為解決因電磁干擾等外界不可控因素導致無線數據傳輸中數據丟包實際問題提出采用可靠握手協議的無線LORA傳輸，將需要發送的開關量數據封裝自定義協議，主要包括采集端ID、發送請求應答命令和CRC校驗碼，通過SX1278無線電路模塊發送到接收，為滿足實時性要求，應答請求在接收中斷中獲取，同時開始計數，當計數值超過預設值時判定為數據丟包開始重新發送;當接收中斷獲取采集終端返回接收應答請求后，則完成一次開關量數據傳送。

3系統在工業控制現場應用

該系統應用在某冶金現場運煤皮帶開關控制，圖5為開關量接收端應用工業現場圖片。圖中1為設計主體;2為OLED液晶顯示;3為繼電器控制輸出端子，共8路輸出;4為外部電源輸入端子;5為無線LORA發送天線接口，采用發射增益3．5db，433MHz全頻段天線，理論發射距離為10km。此次測試分別選取500m，1km，2．5km，5km處4個接收點進行數據接收測試實驗，分別在采集端發送5000個開關量數據，同時采用直接收發作為對照組實驗。表1為實驗測試數據，從表中結果可以得出，采用該文提出的基于LORA無線通信可靠握手協議的數字開關量數據傳輸在4個接收點未出現丟包情況，而采用直接收發在不同測試點都出現丟包情況，且隨傳輸距離增加其丟包率也增大，從而證明該文設計具有高可靠性與點布設靈活性。

4結論

該文設計一種通過LORA無線通信可靠握手協議的數字開關量數據收發設備，解決鋼鐵企業現有設備分散、環境惡劣、綜合布線復雜等開關數字量采集困難問題，在廠區范圍內通過放置接收模塊，實現2～3km的LORA通信，中間通信過程不需要接線，就可完成數字量信號的數據傳輸，同時解決了丟包問題，簡化了項目施工與后期維護的復雜程度及人力物力。實驗證明，該系統設計在相同數據傳輸條件下傳輸可靠性高，設備安裝位置不受限制，可安裝在任意地點。

參考文獻:

［1］趙鳳華，高原．開關量———數字顯示電路在液位測量中的應用［J］．礦山機械，2005(12):125－126．

［2］黃寶娟，高振華，張育林．一種開關量驅動訓練板的設計與使用［J］．高校實驗室工作研究，2018(01):131－133．

［3］李大偉，吳燕娟，盛成龍，等．開關量檢測系統自診斷技術與實現方法研究［J］．工業儀表與自動化裝置，2018(2):33－39．

作者：葉方躍 鄭偉南 單位：江蘇金恒信息科技股份有限公司